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DE102006058997A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Laserstumpfschweißen von Kunststoffbauteilen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Laserstumpfschweißen von Kunststoffbauteilen Download PDF

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DE102006058997A1
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DE
Germany
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joining
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laser
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DE102006058997A
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English (en)
Inventor
Thomas Paßreiter
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Laserstumpfschweißen von Kunststoffbauteilen wird zur Erhöhung der von dem Laser erfassbaren Fläche die Scannereinheit der Vorrichtung verfahrbar ausgeführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserstumpfschweißen von Kunststoffbauteilen.
  • Die gängigsten Verfahren zum Fügen von Kunststoffen, insbesondere thermoplastischen Kunststoffen sind das Heizelement-, Ultraschall-(US-), Infrarot-(IR-) sowie das Laserschweißen. Beim Laserschweißen unterscheidet man zusätzlich noch das Laserdurchstrahl- sowie das Laserstumpfschweißen.
  • Während sich das Heizelementschweißen durch eine einfache Anlagetechnik, insbesondere hinsichtlich der Prozesseinstellung auszeichnet, ist hierbei ein wesentlicher Nachteil, dass die Bauteile während der Erwärmungsphase von den Heizelementen berührt werden und daher mit der Zeit verschmutzen und gereinigt oder ausgetauscht werden müssen.
  • Das Infrarotschweißen weist demgegenüber den Vorteil auf, dass keine Berührung der Schweißvorrichtung mit den Fügeflächen der Bauteile stattfindet. Nachteilig bei diesem Fügeverfahren ist jedoch, dass Konturstrahler und Abdeckblenden in den Schweißspiegeln für Ober- und Unterwerkzeug erforderlich und diese zudem von Bauteil zu Bauteil unterschiedlich sind und somit beschafft und ausgewechselt werden müssen.
  • Beim Laserdurchstrahlschweißen werden zwei aneinander liegende Fügeflächen miteinander verschweißt, indem der Laserstrahl durch den ersten Fügepartner, der aus einem lasertransparenten Material besteht, hindurch tritt und an der Oberfläche (der Fügefläche) des zweiten Fügepartners, absorbiert wird (beispielsweise durch einen Rußanteil im Material), wodurch die für den Plastifizierungsprozess erforderliche Wärme erzeugt wird. Zwei verschiedenartige Fügepartner verursachen jedoch in der Regel Mehrkosten durch einen erforderlichen Materialwechsel beim Spritzguss. Weiterhin erfordert das Laserdurchstrahlschweißen ein komplexes Niederhaltesystem, um den erforderlichen Nullspalt der Bauteile während des Fügeprozesses zu erreichen.
  • Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Laserstumpfschweißen wird ein Laserstrahl einer Laserlichtquelle mittels einer Scannereinrichtung auf die Fügeflächen der zwei Fügeteile umgelenkt. Hierzu wird regelmäßig eine feststehende Laserlichtquelle mit einem verschwenkbaren Scannerspiegel verwendet, um die hohen Verfahrgeschwindigkeiten, die für eine homogene Erwärmung der Fügeflächen mittels des punktförmigen Lasers erforderlich sind, zu erreichen. Um eine Erwärmung beider (sich in der Regel gegenüberliegenden) Fügeflächen mit einem einzigen Laser zu ermöglichen, werden häufig zwei zusätzliche Umlenkspiegel verwendet, die – in einem Winkel zueinander angeordnet – zu Beginn der Erwärmungsphase zwischen die eingespannten Fügeteile gefahren werden. Nach dem Erwärmen beider Fügeflächen werden die Umlenkspiegel aus der Fügeebene herausgefahren und die Fügepartner gegeneinander gepresst.
  • Nachteilig an dem aus dem Stand der Technik bekannten Laserstumpfschweißverfahren ist der eingeschränkte Arbeitsbereich der Scanneroptik. Daraus folgt, dass keine großen Bauteile oder solche mit komplexer Geometrie geschweißt werden können.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schweißen von Bauteilen aus Kunststoff bereitzustellen, die bzw. das zumindest einen aus dem Stand der Technik bekannten Nachteil verringert. Insbesondere soll eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt werden, die das Schweißen von Kunststoffbauteilen auch bei großen Bauteilen und/oder komplexen Geometrien ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der untergeordneten Ansprüche.
  • Der Kern der Erfindung liegt darin, bei einer Vorrichtung zum Laserstumpfschweißen der eingangs beschriebenen Art die Scannereinheit, die für eine Umlenkung des Laserstrahls vorgesehen ist, verfahrbar auszuführen. Hierfür ist erfindungsgemäß eine Verfahrvorrichtung vorgesehen. Durch die vorzugsweise translatorische Bewegung der Scannereinheit vergrößert sich der Bereich, der durch ein Verschwenken des Scannerspiegels von dem Laser erfasst werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Fügeflächen der Bauteile sich gegenüberliegend positioniert, Hierfür können Haltevorrichtungen (z.B. Ober- und Unterwerkzeuge) vorgesehen sein, die eine exakte und sichere Positionierung der Fügebauteile gewährleisten. Die gegenüberliegende Anordnung der Fügeflächen kann dazu dienen, nach der Erwärmungsphase (d.h. dem Erwärmen bzw. Anschmelzen der Fügeflächen) die Bauteile auf direktem Fügeweg, d.h. ohne unnötigen Zeitverzug aufeinander zu pressen, um ein unnötiges Abkühlen der Fügeflächen zu verhindern. Bei dieser Anordnung der Fügebauteile ist die Scannereinheit vorzugsweise zwischen den Fügeflächen angeordnet und sorgt mittels einer Umlenkung des Laserstrahls für eine Erwärmung der gesamten Fügeflächen.
  • Bei einer Anordnung der Scannereinheit zwischen den zwei Fügeflächen, d.h. in der Regel in der Fügeebene, erfolgt die Einstellung der Fokuslage des Bauteils (bzw. der Fügeflächen) zu der/den Scanneroptik(en) vorzugsweise dadurch, dass die Fügebauteile bzw. deren Haltevorrichtungen verfahrbar ausgeführt sind. In der Regel ist hierfür eine Verfahrbarkeit in Normalenrichtung auf die Fügefläche ausreichend. In einer alternativen Ausführungsform können die Bauteile bzw. deren Haltevorrichtungen auch in mehreren Richtungen, insbesondere dreidimensional verfahrbar sein. Dadurch kann u.a. – unterstützend zu der Verfahrbarkeit der Scannereinheit – der von dem Laserstrahl erfassbare Bereich (Arbeitsbereich) nochmals vergrößert werden. Durch eine kontinuierliche Anpassung der Positionen der Fügebauteile ist es zudem möglich, auch komplexe Bauteile mit gekrümmten Fügeflächen zu verschweißen.
  • Eine Aufteilung des Laserstrahls auf zwei oder mehrere Laserstrahlen innerhalb der Scannervorrichtung erfolgt vorzugsweise mittels einer Strahlweiche, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dadurch können mehrere Fügeflächen gleichzeitig mit einer Laserlichtquelle erwärmt werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird für jede Fügefläche ein Laserstrahl mittels einer eigenen Scannereinheit unabhängig verfahren. Dies ermöglicht u.a. die Bauteile fest anzuordnen und die Einstellung der Fokuslagen durch ein individuelles Verfahren der Scannereinheiten zu erzielen. Wiederum können komplexe Bauteile mit gekrümmten Fügeflächen, die zudem nicht parallel verlaufen müssen, verschweißt werden. Hierbei kann für jede Scannereinheit eine eigene Laserlichtquelle vorgesehen sein. Alternativ kann ein Laserstrahl zuvor beispielsweise mittels einer Strahlweiche aufgeteilt und den einzelnen Scannereinheiten zugeleitet werden.
  • Die Erfindung ermöglicht ein flexibles Schweißen von unterschiedlichen Bauteilen, ohne dass Änderungen an dem/den Laser(n) oder der/den Scannereinheit(en) erforderlich sind. Bei einem Wechsel der Bauteile kann es daher ausreichend sein, nur neue Ober- und Unterwerkzeuge (bzw. Haltevorrichtungen für die Bauteile) zu verwenden und die Steuerung der Scannereinheit(en) bzw. der verfahrbaren Haltevorrichtungen anzupassen. Diese Anpassung kann auch automatisch erfolgen, beispielsweise über eine automatische Bauteilerkennung mittels Strichcodes oder Transpondern.
  • Auch können z.B. mit Drehtischen für die Ober- und Unterwerkzeuge mehrere unterschiedliche Bauteile (Baureihen) gleichzeitig über eine Schweißanlage gefahren werden, wodurch die Rüstzeiten für die Anlage verringert werden.
  • Letztendlich ermöglicht die vorliegende Erfindung auch größere Bauteile und solche mit komplexer Geometrie (der Fügeflächen) zu schweißen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • In den Zeichnungen zeigt
  • 1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserstumpfschweißen gemäß einer ersten Ausführungsform während der Erwärmungsphase,
  • 2: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserstumpfschweißen gemäß einer zweiten Ausführungsform während der Erwärmungsphase,
  • 3: das Fügen der zuvor erwärmten Fügeflächen und
  • 4: eine Anordnung mehrerer zu fügenden Bauteile um eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserstumpfschweißen
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserstumpfschweißen in einer ersten Ausführungsform während der Erwärmungsphase.
  • Die dargestellte Vorrichtung weist eine Laserlichtquelle 1 auf. Der darin erzeugt Laserstrahl wird mittels eines Lichtleiterkabels 2 zu einer Strahlweiche 3 geführt, die am Ende eines dreidimensional verfahrbaren Roboterarms 4 angeordnet ist. Die Strahlweiche 3 teilt den Laserstrahl in zwei Strahlen, die je einer Scannereinheit 5 zugeleitet werden.
  • Die Scannereinheiten 5 weisen gesteuert verschwenkbare Umlenkspiegel 6 auf, mit denen der jeweilige Laserstrahl – unabhängig von einer Bewegung des Roboterarms 4 – einen durch die Schwenkbarkeit der Umlenkspiegel 6 beschränkten Bereich erfassen kann.
  • Jede der zwei Scannereinheiten 5 ist einem Fügeteil 7 zugeordnet, das fest in einer entsprechenden Aufnahme A angeordnet ist. Die Aufnahmen A wiederum sind in einem Ober- bzw. Unterwerkzeug 8, 9 befestigt, die sich in Richtung aufeinander zu verfahren lassen. Das Verfahren des Ober- und Unterwerkzeugs 8, 9, das in Normalenrichtung auf die Fügeebene erfolgt, dient zum einen dazu, die Fügeteile 7 nach der Erwärmungsphase zu fügen (vgl. 3), andererseits kann damit die Fokuslage, d.h. der Abstand zwischen der Scannereinheit 5 und dem momentan von dem Laserstrahl erfassten Punkt auf der Fügefläche eingestellt werden.
  • Die Verbindung zwischen den Aufnahmen A und dem Ober- bzw. Unterwerkzeug 8, 9 ist so ausgeführt, dass diese ein schnelles Wechseln der Aufnahmen (Aufnahmen A gegen Aufnahmen B anders geformter Fügebauteile) ermöglicht.
  • Das Verfahren des Ober- und Unterwerkzeugs 8, 9 zueinander erfolgt über vier Gewindestangen 10, die mittels eines (nicht dargestellten) Drehantriebs synchron rotatorisch angetrieben werden. Alternative Vorrichtungen zum Verfahren des Ober- und Unterwerkzeugs 8, 9 können beispielsweise einen hydraulischen oder pneumatischen Antrieb vorsehen.
  • Die Vorrichtung zum Laserstumpfschweißen gemäß 2 unterscheidet sich von derjenigen der 1 darin, dass zwei separate Roboterarme 4 vorgesehen sind, an denen jeweils eine Scannereinheit 5 angeordnet ist. Die Roboterarme 4 sind wiederum dreidimensional verfahrbar und ermöglichen somit zusätzlich zu der Erfassung eines großflächigen Bereichs der Fügeflächen ein individuelles Einstellen der Fokuslagen zwischen den Scannereinheiten 5 und den jeweiligen Fügeflächen – unabhängig von einem Verfahren des Ober- und Unterwerkzeugs 8, 9. Die in 2 dargestellte Ausführungsform eignet sich daher insbesondere für das Schweißen von großen und komplex geformten Bauteilen.
  • Die Versorgung der zwei Scannereinheiten 5 mit einem Laserstrahl erfolgt über eine einzige Laserlichtquelle 1 und zwei separate Lichtleiterkabel 2.
  • In 3 ist das Fügen der zuvor erwärmten Fügeflächen dargestellt. Hierzu wird/werden der/die Roboterarm(e) 4 aus dem Bereich zwischen den Fügebauteilen 7 herausgefahren und das Ober- und Unterwerkzeug 8, 9 aufeinander zugefahren, bis die Fügeflächen mit dem gewünschten Druck aufeinander gepresst werden.
  • 4 zeigt in einer schematischen Draufsicht eine Konstellation, bei der ein Roboterarm 4 drei Fügestationen 11 bedient. Auf diese Weise können werkzeugwechselbedingte Wartezeiten verringert oder eliminiert werden. Dabei werden die Fügeflächen der Fügebauteile 7 an einer Station 11 mittels des Lasers erwärmt, während an den anderen Stationen ein Wechsel der Fügebauteile 7 und/oder der Aufnahmen (A zu B) erfolgt.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zum Laserstumpfschweißen mit Mitteln zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls sowie mindestens einer Scannereinheit (5) mittels der der Laserstrahl auf Fügeflächen von zwei oder mehr zu fügenden Bauteilen umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Scannereinheit (5) mittels einer Verfahrvorrichtung verfahrbar ist.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeflächen der Bauteile sich gegenüberliegend positioniert sind und die Scannereinheit (5) zwischen den Fügeflächen angeordnet ist.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile hinsichtlich des Abstands zur Scannereinheit (5) verfahrbar angeordnet sind.
  4. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Strahlweiche (3) zur Aufteilung des Laserstrahls.
  5. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Fügefläche ein Laserstrahl mittels einer Scannereinheit (5) umgelenkt wird, wobei die Mehrzahl von Scannereinheiten (5) voneinander unabhängig verfahrbar sind.
  6. Verfahren zum Laserstumpfschweißen, wobei ein Laserstrahl mittels mindestens einer Scannereinheit (5) auf Fügeflächen von zwei oder mehr zu fügenden Bauteilen umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Scannereinheit (5) zur Erfassung der Fügeflächen durch den Laserstrahl verfahren wird.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Scannereinheit (5) mittels eines Roboterarms (4) verfahren wird.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile zur Einstellung der Fokuslage relativ zu der Scannereinheit (5) verfahren werden.
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